Создание эластичных материалов, экранирующих высокочастотное электромагнитное излучение за счет использования в качестве наполнителя металлсодержащего графита

При разработке резин, экранирующих элегаромагнитное излучение, необходимо использовать комбинации электропроводящих и магнитных наполнителей, при этом в качестве элегаропроводящих целесообразно применять углеродные волокна или технический углерод, а в качестве магнитных - металлуглеродные наполнители или порошки ферритов [15].

В реальных материалах при взаимодействии с электромагнитным полем возникают потери как за счет наличия у них магнитных ц и диэлегарических е потерь, так и за счет проводимости. Поэтому основными требованиями к порошкообразным наполнителям для экранирующих элегаромагнитное излучение резин являются: возможность получения частиц размером 50...200 мкм с определенной (сферической или чешуйчатой) формой; заданным уровнем магнитной и диэлегарической проницаемостей и электропроводности в различных областях эле1стро-магнитного спектра [16].

В настоящей работе в качестве наполнителей резин были использованы магнитные графиты с различным содержанием углеродной и металлической составляющей.

Магнитный графит получают из железографитсодержащих отходов, образующихся в процессах, связанньгх с переливом и продувкой чугуна в миксерных отделениях и отделениях десульфурации металлургических заводов. В результате специальной обработки этих отходов получают

Таблица 9.17. Состав и свойства исследованных марок магнитного графита

НЫЙ наполнитель, что улучшает технологичность их переработки. Резины с модифицированной БС-120 обладают низкими гистерезисными потерями, пониженным теплообразованием и низкими показателями по истиранию.

Таким образом, результаты исследования показали принципиальную возможность замены традиционного техуглерода на модифицированную тиоколом белую сажу БС-120 в рецептуре протекторных шинных резин.

Показана возможность замены дорогостоящих импортных продуктов белой сажи Зеосил-1165 и кремнийорганической добавки Si-1289, использующихся в настоящее время в рецептуре отечественных экологически безопасных шин.

наполнитель, состоящий из графита, магнитного оксида железа (Ре20з) и некоторого количества примесей.

Процесс изготовления магнитного графита позволяет получать конечный продукт с различным содержанием углеродной составляющей. Был исследован комплекс пласто-эластических, физико-механических и электрофизических свойств магнитных эластомеров на основе каучука СКН-40М, в зависимости от содержания магнитного графита и количества в нем углеродной составляющей.

В табл. 9.17 приведены основные харагаеристики исследованных образцов магнитного графита; имея одинаковую дисперсность, они отличаются содержанием углеродной составляющей (от 15 до 70%) и соответственно своими элегарофизическими харагаеристиками (удельным объемным элегаросопротивлением и намагниченностью насыщения).

В исследованиях была использована стандартная для каучука СКН-40М вулканизующая группа, содержание магнитного графита варьировалось от 100 до 500 (масс.ч) на 100 (масс.ч) каучука, в качестве пластификатора использовался дибутилфталат. Резиновые смеси изготавливались на лабораторньгх вальцах ЛБ-320 160/160 и вулканизовались в элегаропрессе при температуре 150 °С.

Результаты исследований пластичности резиновых смесей и условной прочности при растяжении вулканизатов приведены в табл. 9.18 и 9.19.

Как видно из табл. 9.18, увеличение содержания магнитного графита от 100 до 500 (масс.ч) приводит к заметному ухудшению технологических свойств резиновых смесей (снижению пластичности). Содержание в магнитном графите углеродной составляющей также оказывает влияние на этот показатель. Условно все исследованные марки магнитного графита можно разделить на 3 группы. Графиты марок 10... 13 (содержание углеродной составляющей 40...70 % (масс.)) с увеличением их содержа-

Таблица 9.18. Изменение пластичности резиновых смесей в зависимости от типа магнитного графита и его содержания

Таблица 9.19. Изменение показателя условной прочности при растяжении в зависимости от типа магнитного графита и его содержания

НИЯ в композиции резко снижают пластичность. Графиты марок 7-8 (содержание углеродной составляющей 15...20% (масс.)) позволяют получать резиновые смеси с высокой пластичностью. Графит марки 9 (содержание углеродной составляющей 30 % (масс.)) занимает промежуточное положение по отнощению к первой и второй группам.

На физико-механические свойства вулканизатов, наполненных магнитным графитом, оказывает влияние как содержание наполнителя, так и содержание в нем углеродной составляющей. При наполнении 100...200 (масс.ч), вследствие малого значения удельной поверхности (~ 10 м Vr) частиц наполнителя, эффект усиления не проявляется. Введение 300...500 (масс.ч) магнитного графита первой группы в каучук СКН-40М приводит к некоторому повышению условной прочности при растяжении резины. Для графитов, относящихся ко второй и третьей группам, такого эффекта не прослеживается.

Таблица 9.20. Влияние типа магнитного графита и его содержания на показатель удельного объемного электросопротивления резин

С увеличением содержания магнитного графита твердость резин растет, их эластичность и относительное удлинение снижаются. Магнитные графиты с более высоким содержанием углеродной составляющей имеют более высокие показатели твердости и более низкие показатели эластичности и относительного удлинения.

Одной из основных характеристик, экранирующих высокочастотное электромагнитное излучение материалов, является показатель их удельного объемного электросопротивления. Влияние на показатель удельного объемного электросопротивления резин типа наполнителя и его содержания в композициях приведено в табл. 9.20.

Как видно из этой таблицы, для всех изученных марок магнитного графита с ростом его содержания в резине снижается показатель удельного объемного электросопротивления материала, т. е. растет его электропроводность.

Наиболее высокие показатели электропроводности имеют резины, наполненные магнитным графитом с содержанием углеродной составляющей 40...70 % ( масс.) и наполненные выше 400 (масс.ч) на 100 (масс.ч) каучука.

Проведены ориентировочные испытания коэффициента экранного затухания а материалов, наполненных различными марками магнитного графита. Наиболее высокие показатели затухания электромагнитных волн (40 дБ и более) при длине волны от 10 м до 7 см имеют композиции, наполненные 400...500 (масс.ч) магнитного графита, содержащие в своем составе от 40 до 70 % (масс.) углеродной составляющей. Данная тенденция прослеживается как в сантиметровом, так и в метровом диапазоне длин волн.

Таблица 9.21. Влияние типа каучука и содержания наполнителя на пластичность резиновых смесей

равном наполнении, имеют более высокие показатели пластичности, чем композиции на основе каучуков СКН-26, СКН-40М и наирита СР-50. Интенсивное снижение пластичности композиций, особенно у резиновых смесей на основе полярных каучуков, вероятно, связано с взаимодействием наполнителя с полярной эластомерной матрицей. Композиции с наполнением выше 600 (масс.ч) на основе наирита СР-50 получить не удалось, из-за их высокой жесткости и низкой когезионной прочности. Композиции с наполнением более 700 (масс.ч) на основе каучуков СКИ-3, СКМС-ЗОРП, СКН-26 и СКН-40М имеют малую когезионную прочность, поэтому определить их пластичность не представляется возможным.

В табл. 9.22 показано влияние содержания магнитного графита на показатель условной прочности при растяжения вулканизатов на основе различных типов каучуков.

Как видно из табл. 9.22, введение 100...300 (масс.ч) магнитного графита в неполярную эластомерную матрицу приводит в случае каучука СКИ-3 к резкому уменьшению, а в случае каучука СКМС-ЗОРП к незначитель-

Таблица 9.22. Влияние типа каучука и содержания наполнителя на показатель условной прочности при растяжении резин (МПа)

Таким образом, по комплексу физико-механических и электрофизических характеристик для создания высокоэффективных эластичных экранирующих материалов можно использовать магнитные графиты с содержанием углеродной составляющей более 40 % (масс), наполнение магнитного графита при этом должно составлять более 400 (масс.ч) на 100 (масс.ч) эластомерного связующего.

С целью определения содержания металлов в магнитном графите бьшо проведено исследование его состава методом лазерной масс-спектромет-рии. Этот метод позволяет определять процентное содержание элемента до 10 % (масс). Исследования проводили на масс-спектрометре с двойной фокусировкой JMB-01SB, оснащенном лазерно-плазменным ионным источником. Лазерный масс-спектральный метод основан на измерении числа ионов основы и микропримесей, образующихся при испарении и ионизации анализируемого образца сфокусированным лазерным излучением. Анализ показал, что магнитный графит содержит следующие металлы: Fe - 3 10-1; Mg - 1 10 ; Al - 2-10-2; Мп - 4-10-3; Sm, Ni, Сг, Pb, Ti по 2- Ю--; Си - 3 - 10- . Основную часть металлической фазы магнитного графита составляют: Fe, Mg и Al. Содержание других металлов незначительно, однако небольшие количества металлов переменной валентности, входящих в состав магнитного графита, могут оказывать негативное влияние на окислительную стойкость материала и потребовать увеличения количества стабилизатора в рецептуре. Следует отметить, что при высокотемпературном способе получения магнитного графита металлы, присутствующие в его составе, находятся в форме оксидов.

Тип эластомерного связующего может оказать существенное влияние на комплекс технологических, вулканизационных физико-механических и электромагнитных характеристик получаемого материала. Поэтому бьши исследованы композиции, наполненные магнитным графитом с содержанием углеродной составляющей 40 % (масс.) на основе каучуков СКИ-3, СКМС-ЗОРП, СКН-26, СКН-40М и наирита СР-50. Содержание магнитного графита в композиции варьировалось от 100 до 900 (масс.ч) на 100 (масс.ч) эластомерного связующего. Для улучшения технологических характеристик композиций вместе с наполнителем вводилось 20 (масс.ч) пластификатора. В табл. 9.21 показано влияние содержания наполнителя на пластичность исследованных резиновых смесей.

Как видно из табл. 9.21, введение в эластомерную матрицу магнитного графита приводит к значительному снижению пластичности композиций, независимо от типа используемого эластомерного связующего. Следует отметить, что композиции на основе каучуков СКИ-3 и СКМС-ЗОРП, при